種のさやのようにはじけるカプセル

小さな磁気マイクロロボットは、いつの日か消化管の中を進み、薬を届けたり、病変を治療したり、画像を撮ったりできるかもしれない。だがまず、酸や粘液、胃のかき混ぜから守られながら無傷でそこへたどり着き、そして正しい場所ですばやく放出されなければならない。現在のカプセルは、モーターやばね、電子部品を詰め込んで積み荷のための空間がほとんど残らないか、開くのに数分から数時間かかる「スマート」材料に頼っているかのどちらかだ。

杭州にある浙江大学の張夢帆(Mengfan Zhang)、陳子珂(Zike Chen)、肖鋭(Rui Xiao)、毛国勇(Guoyong Mao)らは、解決策をある花の咲く植物に見いだした。

はじけるさやのしくみ

ホウセンカ(Impatiens balsamina)の種のさやは、熟すとわずかに触れただけではじける。さやの弁が一瞬で内側に巻き込み、種を飛ばすのだ。近縁の種では、種は秒速約1〜4メートルで飛び出す。その原理は留め金つきのばねである。曲がった弁が弾性エネルギーをため込み、周りの組織が留め金の役目を果たす。留め金を外せば、ためられたエネルギーがすべての仕事をする。

3つの部品

カプセルはこの設計を3つの部品でまねている。

• 組み立てのときに裏返しにされたやわらかいシリコーンのドーム。これがばねだ。
• 3Dプリントしたプラスチックの土台。直径8ミリメートル、高さ5ミリメートルの円筒で、ロボット用の小さな部屋がある。
• ゼラチン、カラギーナン、酸化鉄ナノ粒子からなるゲルのリング。これが留め金だ。

交流磁場のもとでは、ナノ粒子がゲルを加熱する。ゲルはやわらかくなって内側から裂け、ドームが元の形に跳ね返り、カプセルがはじけて開く。純粋なゼラチンは30〜36 °Cで溶けてしまい、体温に近すぎる。カラギーナンを加えると、ゲルは37 °Cでも固さを保ち、51.6 °Cで液体に変わる。

ばねを正しく設計する

難しいのは力学の部分だった。裏返したドームは双安定になることがある。つまり、一度押されると裏返ったままになり、そうなると二度と開かない。ドームは単安定、つまり常に跳ね返らなければならない。しかし、ドームが硬すぎると、引き金を引く前にゲルを裂いてしまう。チームはコンピューターシミュレーションで、どの形が双安定でどの形が単安定かを地図にし、ドームを接着するためのつばがドームを双安定のほうへ押しやることを見つけた。そのため、ドームは教科書どおりの殻より厚くする必要がある。最終的なドームは、半径5ミリメートルの範囲で、高さ2.6ミリメートル、厚さ1.5ミリメートルだ。ピンセットで解放すると、このドームは秒速1.21メートルで飛び、100ミリ秒以内に完全に外れる。

印刷したコースからブタの胃へ

全体の試験では、磁石が閉じたカプセルを3Dプリントしたコースに沿って滑らせ、約70秒で目標に届ける。次に交流磁場がゲルを約20 °Cから41 °Cまで加熱する。ゲルがやわらかくなってから50ミリ秒未満でカプセルが開き、ロボットは秒速約1.0メートルで打ち出される。これは種の速度範囲の下限にあたる。その後、磁石がロボットを選んだ場所へ集める。ここでの「ロボット」は、磁性エラストマーの小片である。

体外に取り出したブタの胃の上では、カプセルは組織の上を誘導されるあいだ閉じたままで、指令によって開いた。やわらかく粘着性のある組織がエネルギーの一部を吸収したため、打ち出しの速度は最初は秒速約0.5メートルに下がった。それでも、放出されたロボットは表面の上を誘導することができた。カプセルを上下逆に置くと、何も打ち出さずに穏やかに開き、磁石がロボットを引き出す。より穏やかなモードだ。

著者らは残された課題を挙げている。生きた動物での試験がまだないこと、胃酸や消化液の中でのゲルのふるまいがわかっていないこと、そして、より丈夫でありながら、溶ける温度も高くなってしまうゲルの問題だ。著者のうち毛、張、陳、肖の4人は、このカプセルについて特許を出願している。